Le prime implementazioni del 5G sono iniziate alla fine del 2019 e da allora, i progetti di front-end RF (RFFE) hanno fatto molta strada in termini di maggiore integrazione e supporto per il funzionamento multimodale che vanno dalle radio 5G alle 2G.
Ad esempio, i convertitori di dati in queste RFFE ora supportano le larghezze di banda del canale disponibili nelle bande di onde millimetriche (mmWave). Ciò, a sua volta, aprirà le porte alla generalizzazione delle architetture RF e potenzialmente ridurrà la complessità dei circuiti RF spostando il divario digitale-analogico più vicino all'antenna.
Gli RFFE sono anche conosciuti come moduli front-end. Queste parti utilizzano architetture di partizionamento intelligenti per integrare amplificatori ad alta velocità, ricevere convertitori analogico-digitale e trasmettere convertitori digitale-analogico del percorso insieme a progetti di filtri ad alta frequenza sempre più ridotti. L'integrazione è il nome del gioco nei progetti di radio 5G, poiché le soluzioni RF discrete non sono più sufficienti.
Prendiamo i progetti RFFE di Qualcomm che integrano diversi componenti RF tra modem e antenna. Queste soluzioni modem-antenna uniscono modem, ricetrasmettitore RF, componenti front-end RF e moduli antenna, consentendo così agli OEM mobili di commercializzare rapidamente dispositivi con supporto per nuove bande di frequenza come n53, n70 e n259 nel 41- banda GHz.
Uno degli ultimi esempi è il sistema modem-RF Snapdragon X65 5G, la soluzione modem-antenna 5G di quarta generazione di Qualcomm. Lo Snapdragon X65 supporta l'aggregazione dello spettro fino a 1 GHz nello spettro mmWave e 300 MHz nello spettro sub-6-GHz.
L'X65 è una soluzione modem-antenna 5G di quarta generazione che offre funzionalità di sintonizzazione dell'antenna e aggregazione dello spettro. (Fonte: Qualcomm)
Poi ci sono i front-end RF ADR554x per enormi radio MIMO (M-MIMO) di Analog Devices Inc. Questi RFFE aumentano notevolmente il numero di canali transceiver simultanei che operano in più bande, riducendo al contempo tutto l'hardware necessario in un fattore di forma più piccolo.
La famiglia ADR554x di front-end RF incorpora uno switch ad alta potenza nel processo al silicio e un amplificatore a basso rumore ad alte prestazioni nel processo GaAs. Questi front-end RF, che coprono le bande cellulari da 1.8 GHz a 5.3 GHz, sono progettati in modo ottimale per le interfacce dell'antenna M-MIMO.
Di conseguenza, con un numero maggiore di antenne e bande che devono essere supportate e un gran numero di componenti necessari per ottenere una copertura adeguata, vediamo una complessità senza precedenti nel regno RF. Quindi, all'inizio, la crescente complessità delle radio 5G ha limitato il numero di produttori con l'esperienza necessaria per sviluppare sottosistemi RF così complessi. Tuttavia, più fornitori stanno ora affrontando la sfida RFFE man mano che i progetti 5G maturano.
Sfide di progettazione front-end RF
La progettazione RF rappresenta un'enorme opportunità nelle reti 5G tra l'implementazione di un vasto numero di stazioni base in ambienti mini, micro, pico e femto-celle, nonché nuovi dispositivi terminali per l'internet delle cose e l'industria applicazioni IoT. È probabile che ciò aggiunga una crescita massiccia dei dispositivi connessi per casi d'uso e requisiti molto diversi.
L'efficienza e il riutilizzo spettrali, le velocità più elevate e la latenza inferiore sono le considerazioni principali per i progetti RFFE per soddisfare questo enorme aumento della capacità del traffico dati wireless. Innanzitutto, l'efficienza spettrale è vitale perché le frequenze mmWave, lo spettro sopra i 6 GHz, hanno attirato molta attenzione per un'ampia disponibilità di larghezza di banda.
Tuttavia, la trasmissione nella banda mmWave è più impegnativa nelle aree esterne e il compito di un progetto RFFE è migliorare l'elevata perdita di percorso, l'alto ossigeno e l'H2O assorbimento, perdite attraverso il fogliame e sbiadimento dovuto alla pioggia. Quindi i progettisti RF stanno impiegando le tecnologie di beamforming e beam tracking per superare le caratteristiche sfavorevoli del canale nella frequenza mmWave.
In secondo luogo, la velocità è fondamentale nei progetti RFFE perché le architetture radio 5G operano a velocità di trasmissione dati molto più elevate rispetto ai precedenti sistemi 2G, 3G e 4G. Gli attuali sistemi 5G sono 10 volte più veloci delle radio 4G LTE.
In terzo luogo, la latenza è il nuovo elemento, insieme all'accesso più rapido nei progetti 5G. È molto più importante nelle RFFE 5G rispetto alle precedenti versioni 3G e 4G. Il 5G ha una latenza minima di 1 ms o meno. D'altra parte, nei sistemi 4G, la latenza va da 50 ms a 98 ms, nei sistemi 3G a 212 ms e nei sistemi 2G a ben 629 ms. I nuovi servizi 5G ora utilizzano la funzionalità di comunicazione a bassa latenza ultra affidabile per gestire i problemi relativi alla latenza.
Le soluzioni RFFE altamente integrate, come il sistema Modem-RF Qualcomm X55 5G, che supportano qualsiasi combinazione di bande di frequenza e modalità consentono agli ingegneri di concentrarsi sul design industriale e sull'interfaccia utente, offrendo così prodotti migliori in un tempo più breve e a un costo inferiore. (Fonte: Qualcomm)
La sinossi delle problematiche RFFE nei progetti 5G mostra la natura dirompente delle tecnologie RF. Soprattutto quando il campionamento RF si avvicina all’antenna, il che, a sua volta, semplificherà e ridurrà i fattori di forma della radio e consentirà livelli di integrazione più elevati. Quindi a questo la tecnologia A questo bivio, cosa sta facendo l’industria per facilitare maggiori livelli di integrazione mantenendo sotto controllo la complessità della progettazione? La sezione seguente esamina più da vicino un'iniziativa del settore RF.
Consorzio OpenRF
La Open RF Association (OpenRF) di recente costituzione mira a creare l'interoperabilità funzionale di hardware e software tra front-end RF multimodali nei progetti 5G. Questo framework aperto standardizzerà le interfacce hardware e software pur consentendo l'innovazione del design tra i fornitori di soluzioni RF. I membri fondatori del consorzio includono Broadcom, Intel, MediaTek, Murata, Qorvo e Samsung.
Secondo Joe Madden, analista principale di Mobile Experts, l'industria mobile ha sempre più bisogno di una struttura per far fronte alla complessità, che ora è un segno distintivo dei progetti di front-end RF. "OpenRF standardizzerà gli elementi costitutivi in aree non competitive e consentirà quindi ai fornitori di RFFE di concentrare i propri sforzi sul punto più acuto dell'innovazione", ha affermato.
Vale la pena notare che la specifica MIPI RFFE che definisce l'interfaccia di controllo del front-end RF continuerà a essere sviluppata all'interno del gruppo di lavoro RFFE della MIPI Alliance. Inoltre, OpenRF sta attualmente lavorando a un accordo di collegamento con MIPI Alliance.
Lo schema di cui sopra delle sfide di progettazione front-end RF, delle soluzioni e delle iniziative del settore per le applicazioni di infrastruttura e telefoni 5G è una testimonianza di un'unità di iper integrazione che porta la modularizzazione RFFE sempre più vicino alla realtà. Inoltre, mentre i front-end RF contengono componenti essenziali per l'instradamento, il filtraggio e l'amplificazione dei segnali da e verso le antenne, questi progetti altamente integrati influiranno direttamente sul consumo energetico del dispositivo. Questo è fondamentale nei progetti di dispositivi 5G che offrono una durata della batteria per tutto il giorno.
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